專利名稱：一種直流電機(jī)的高精度正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)及控制方法，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高精度、平 穩(wěn)反轉(zhuǎn)。
背景技術(shù)：
目前已發(fā)展出很多種電機(jī)的控制策略，包括PID控制、模糊控制、魯棒控制和神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)等，往往采用閉環(huán)控制。PID控制是一種最常用的控制方法，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并易于實(shí)現(xiàn)，但 一般難以滿足某些高精度系統(tǒng)的性能要求，而其它的現(xiàn)代控制方法雖然在某種程度上能夠 提高控制性能，但同時(shí)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性而降低了可靠性。對(duì)于要求電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的角 位置誤差小于30角秒的正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，只采用PID控制是很難滿足高精度要求的，而其 它的現(xiàn)代控制方法雖然適用于多種控制系統(tǒng)，但算法一般較為復(fù)雜，對(duì)于減小反轉(zhuǎn)瞬間的 角度誤差這個(gè)問(wèn)題很難直接應(yīng)用，所以需要一種既能有效提高反轉(zhuǎn)時(shí)的精度又簡(jiǎn)單可靠的 方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種直流電機(jī)的高精度正反 轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)及控制方法，使正反旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的角度誤差小于30角秒，實(shí)現(xiàn)電機(jī) 的高精度、平穩(wěn)的反轉(zhuǎn)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種直流電機(jī)的高精度正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)包括PID控制 方式和主動(dòng)控制方式兩部分，其中PID控制方式由比較器、PID控制器、控制方式切換器、電 機(jī)和光柵組成，光柵輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)角輸出經(jīng)反饋后在比較器中和指令轉(zhuǎn)角輸入相減得到角 度誤差輸入給PID控制器，根據(jù)PID控制算法由角度誤差計(jì)算并輸出控制電壓，該控制電壓 經(jīng)過(guò)控制方式切換器輸入給電機(jī)，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)角由光柵輸出；主動(dòng)控制方式由反電壓輸 入、控制方式切換器、電機(jī)和光柵組成，反向電壓輸入經(jīng)過(guò)控制方式切換器到達(dá)電機(jī)，再由 光柵輸出實(shí)際轉(zhuǎn)角；電機(jī)勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)控制方式切換器切換到PID控制方式，保證了平穩(wěn)旋 轉(zhuǎn)的精度，在電機(jī)反轉(zhuǎn)前控制方式切換器切換到主動(dòng)控制方式，根據(jù)公式(1)對(duì)電機(jī)施加 時(shí)間長(zhǎng)度為1 10ms的反向電壓UT，并在仿真或者實(shí)際中調(diào)試UT，電機(jī)反轉(zhuǎn)后再切換為PID 控制方式，并由近似計(jì)算公式⑵設(shè)置PID控制器中的積分器初值，電機(jī)又開(kāi)始勻速旋轉(zhuǎn)。所述比較器、PID控制器和控制方式切換器均由計(jì)算機(jī)或者微處理器實(shí)現(xiàn)。一種直流電機(jī)的高精度正反轉(zhuǎn)控制方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)電機(jī)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)時(shí)采用PID控制方式，調(diào)整好PID控制器參數(shù)，使其滿足平穩(wěn)旋 轉(zhuǎn)時(shí)的精度要求并具有一定的抗干擾性；(2)電機(jī)反轉(zhuǎn)前轉(zhuǎn)換為主動(dòng)控制方式，對(duì)電機(jī)施加時(shí)間長(zhǎng)度為1 10ms的反向電 壓仏，并在仿真或者實(shí)際中調(diào)試UT，使電機(jī)高精度、平穩(wěn)反轉(zhuǎn)，反向電壓UT的計(jì)算公式為
(3)電機(jī)反轉(zhuǎn)后再轉(zhuǎn)換為PID控制，并根據(jù)摩擦情況和電機(jī)參數(shù)給PID控制器中的 積分器賦初值，初值的計(jì)算公式為
Mf B—^■R + {—-R + Ce)-coc(2)
。m。m其中R為電樞電阻；J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；《。為電機(jī)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速的大??； Cm為力矩系數(shù)；AT為主動(dòng)控制的時(shí)間長(zhǎng)度；Mf為靜摩擦力矩；B為粘滯摩擦系數(shù)；(；為反電 勢(shì)系數(shù)；若摩擦力矩和反電勢(shì)系數(shù)很小，以致(2)式對(duì)應(yīng)的等效力矩小于0.03N*m，也可直 接將積分器清零。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于(1)普通的PID控制方法會(huì)使電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的角度和角速度出現(xiàn)超調(diào)，該超調(diào)降低 了反轉(zhuǎn)瞬間的精度，而本發(fā)明反轉(zhuǎn)時(shí)采用主動(dòng)控制方式可有效減小這種超調(diào)，使得電機(jī)反 轉(zhuǎn)瞬間的角位置誤差小于30角秒，角速度的超調(diào)也很小，提高了系統(tǒng)的精度，實(shí)現(xiàn)了電機(jī) 的平穩(wěn)反轉(zhuǎn)；(2)在由主動(dòng)控制方式轉(zhuǎn)換為PID控制方式時(shí)要求角位置誤差很小，否則控制方 式轉(zhuǎn)換后會(huì)出現(xiàn)較大超調(diào)，本發(fā)明給出了反向電壓的近似計(jì)算方法，可以有效保證控制方 式轉(zhuǎn)換時(shí)有較小的角位置誤差；(3) PID控制器中的積分器具有記憶功能，所以要在主動(dòng)控制方式轉(zhuǎn)換為PID控制 方式時(shí)對(duì)積分器賦合適的初值，本發(fā)明中給出的賦初值的計(jì)算方法可以保證控制方式轉(zhuǎn)換 時(shí)的平穩(wěn)過(guò)渡；(4)本發(fā)明是在PID控制的基礎(chǔ)上再引入主動(dòng)控制，因?yàn)橹鲃?dòng)控制的時(shí)間很短，所 以基本上不會(huì)影響系統(tǒng)的抗干擾性，同時(shí)操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。


圖1為本發(fā)明控制系統(tǒng)的原理框圖；圖2為本發(fā)明控制系統(tǒng)的工作過(guò)程流程圖；圖3為本發(fā)明方法的模型的結(jié)構(gòu)方框圖；圖4為實(shí)施本發(fā)明后的實(shí)際效果，其中上圖為反轉(zhuǎn)瞬間的角度誤差圖，下圖為對(duì) 應(yīng)時(shí)刻的電機(jī)轉(zhuǎn)速。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明由PID控制和主動(dòng)控制兩部分組成，其中PID控制由比較器、 PID控制器3、控制方式切換器5、電機(jī)6和光柵組7成，指令轉(zhuǎn)角輸入1和反饋的實(shí)際轉(zhuǎn)角 輸出8在比較器2中相減得到角度誤差輸入給PID控制器3，PID控制器3根據(jù)誤差輸出控 制電壓經(jīng)過(guò)控制方式切換器5輸入給電機(jī)6，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)角由光柵7輸出；主動(dòng)控制由控 制方式切換器5、電機(jī)6和光柵7組成，反向電壓輸入4經(jīng)過(guò)控制方式切換器5到達(dá)電機(jī)6， 再由光柵7輸出實(shí)際轉(zhuǎn)角。在電機(jī)勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)控制方式切換器5切換到PID控制方式，而 在反轉(zhuǎn)前控制方式切換器5切換到主動(dòng)控制方式，主動(dòng)控制的時(shí)間長(zhǎng)度為1 10毫秒，電 機(jī)6反轉(zhuǎn)后再切換為PID控制方式。
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由于對(duì)電機(jī)的角位置精度要求較高，所以PID控制方式采用有位置反饋的單閉環(huán) 結(jié)構(gòu)，反饋量為光柵7計(jì)數(shù)脈沖轉(zhuǎn)換成的電機(jī)轉(zhuǎn)角，其精度可以達(dá)到1 2角秒。采用20kHz 的PWM波對(duì)電機(jī)6進(jìn)行旋轉(zhuǎn)控制，微處理器計(jì)算出需要施加給電機(jī)6的平均電壓轉(zhuǎn)換成的 占空比，再由外圍電路實(shí)現(xiàn)PWM波的輸出。下面結(jié)合圖2詳細(xì)敘述實(shí)施本發(fā)明的系統(tǒng)工作過(guò)程。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，對(duì)于正轉(zhuǎn)過(guò)程指令轉(zhuǎn)角e in在每個(gè)采樣周期中遞增，而反轉(zhuǎn) 過(guò)程則遞減。為了保證平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)時(shí)的精度并具有足夠的抗干擾性，在電機(jī)勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)采 用pid控制方式，當(dāng)指令轉(zhuǎn)角ein在正轉(zhuǎn)過(guò)程中滿足ein> 或在反轉(zhuǎn)過(guò)程中滿足ein < 02(其中略小于360度，e2略大于o度)，即認(rèn)為電機(jī)開(kāi)始反轉(zhuǎn)，控制方式切換為主 動(dòng)控制方式，否則繼續(xù)維持PID控制方式。在主動(dòng)控制方式中，在電機(jī)6兩端施加幾伏到 二十幾伏的電壓，并且主動(dòng)控制計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)時(shí)間長(zhǎng)度大于閾值時(shí)間(一般為1 10ms)時(shí)再切換回PID控制，并設(shè)置積分器的初值，電機(jī)又開(kāi)始勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1中的比較器、PID控制器和控制方式切換器均由計(jì)算機(jī)或者微處理器實(shí)現(xiàn)。微 處理器根據(jù)電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速和采樣周期計(jì)算出指令轉(zhuǎn)角，即第n時(shí)刻的指令轉(zhuǎn)角為其中為理想轉(zhuǎn)速，At為采樣周期。指令轉(zhuǎn)角減去輸入的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)角后得到 角度誤差，這就實(shí)現(xiàn)了比較器的功能。根據(jù)圖2的系統(tǒng)工作過(guò)程，微處理器由指令轉(zhuǎn)角判斷 要采取的控制方式，若是PID控制則由PID控制算法給出控制電壓；若是主動(dòng)控制則根據(jù)以 下控制方法中的說(shuō)明給出控制電壓。下面結(jié)合圖3詳細(xì)敘述本發(fā)明的控制方法。實(shí)施本發(fā)明的模型的結(jié)構(gòu)方框圖由PID控制器模型202、控制方式切換器模型 204、電機(jī)模型206和光柵模型213構(gòu)成，這些部件順時(shí)針?lè)较虬葱蜻B接。其中PID控制器 模型202的傳遞函數(shù)為G1(s) = P + - + Ds
s其中P、I、D分別為比例、微分和積分控制器參數(shù)，i和s分別是積分器和微分器模
S
型，電機(jī)模型206中的參數(shù)說(shuō)明如下205為控制電機(jī)的電壓，記為U ；216為電機(jī)的角速度， 記為《 ；207中的L為電樞電感，R為電樞電阻；217為電機(jī)的電流，記為I ；208中的(；為 力矩系數(shù)；209為輸入給電機(jī)的控制力矩M ;210中的J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，B為粘滯摩擦系 數(shù)；211為靜摩擦力矩模型，采用庫(kù)倫摩擦模型，其值記為仏；212中的(；為反電勢(shì)系數(shù)。電 機(jī)模型的表達(dá)式為
U = LI + RI + Ceo)<M = Jcb + B(o
I = (M + Mf)/Cm光柵模型213的傳遞函數(shù)為
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G2(X) 二丄
S指令轉(zhuǎn)角輸入201與反饋的實(shí)際轉(zhuǎn)角輸出215之差作為PID控制器模型202的輸 入，它的輸出連接控制方式切換器模型204的PID控制端(1端)，反向電壓輸入203接入控 制方式切換器模型204的主動(dòng)控制端(2端)。本發(fā)明的控制方法的步驟詳細(xì)說(shuō)明如下電機(jī)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)時(shí)采用PID控制，首先進(jìn)行PID參數(shù)整定。可采用一般的PID參數(shù) 整定方法，這里介紹一下工業(yè)上常用的穩(wěn)定邊界法。PID控制器的輸出為Uc=Kp-{e + ~\edt^Td~)(3)其中e為角度誤差，Kp為比例增益，T,為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)，這里
K
令？二&，/二^^^二!^*!^。系統(tǒng)閉環(huán)，令I(lǐng) =0，D = 0，給電機(jī)模型206輸入一單位階
躍電壓，逐漸增大P，直至電機(jī)模型206的輸出出現(xiàn)等幅振蕩，記下此時(shí)的比例增益Pu和振 蕩周期Tu，則= 0. 5Tu，Td = 0. 125TU，P = 0. 6PU。該參數(shù)整定方法只用在仿真中，實(shí)際中 參照仿真的結(jié)果。若在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)上述PID控制算法就要對(duì)(3)式進(jìn)行離散化，即把積分改為求 和形式，微分改為差分形式，得到實(shí)際應(yīng)用中的PID控制算法為UCjl^Kp-(en+~fjelAt + Td.^^)(4)
T, mAt其中Ucn是第n時(shí)刻PID控制器的輸出，en是第n時(shí)刻的角度誤差，A t為采樣周期。電機(jī)反轉(zhuǎn)前轉(zhuǎn)換為主動(dòng)控制，對(duì)電機(jī)施加1 10ms的反向電壓，其大小記為UT。由 圖3可知，若不考慮摩擦和反電動(dòng)勢(shì)，忽略電樞電感，則輸入電壓U和控制力矩M之間的關(guān) 系近似為M=—Cm(5)
R在電機(jī)即將反轉(zhuǎn)時(shí)加反向力矩仏，所加時(shí)間為AT，電機(jī)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速大小為 c，根據(jù)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)原理，則有MT A T = 2 w J(6)由(5)式和(6)式可得到反向電壓UT的近似計(jì)算公式
Tr 2(0 J R(n、Ur= ；(7)在仿真和實(shí)際中再微調(diào)UT直至控制方式由主動(dòng)控制切換到PID控制的時(shí)刻電機(jī) 轉(zhuǎn)速盡量接近反轉(zhuǎn)后平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)時(shí)的速度。最后進(jìn)行由主動(dòng)控制轉(zhuǎn)為PID控制時(shí)的PID控制器的設(shè)置。PID控制器中的積分 器具有記憶功能，在電機(jī)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)時(shí)，積分器的輸出用于抵消阻力。在電機(jī)反轉(zhuǎn)后根據(jù)阻力 情況直接設(shè)置積分器中的值，使之快速過(guò)渡到平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)態(tài)值。由圖3可知電機(jī)平穩(wěn) 旋轉(zhuǎn)時(shí)的阻力由靜摩擦力矩、粘滯摩擦力矩和反電動(dòng)勢(shì)等效力矩三部分構(gòu)成，其中后兩項(xiàng) 與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，所以積分器穩(wěn)態(tài)值的計(jì)算公式為
—++(8)在仿真或?qū)嶋H中，可以根據(jù)(8)式設(shè)置控制方式轉(zhuǎn)換后的積分器初值，若摩擦力 矩和反電勢(shì)系數(shù)很小，以致(8)式對(duì)應(yīng)的等效力矩小于0. 03N m,也可直接將積分器清零。圖4給出了實(shí)施本發(fā)明后的實(shí)際效果。該電機(jī)為國(guó)產(chǎn)J80LYX01F1永磁直流力矩電 機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約為o. 001kg -m2,電樞電阻為3. 5 Q，電樞電感為2. 6mH,力矩系數(shù)為0. 08N -m/ A，主動(dòng)控制時(shí)間為1ms，電機(jī)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速為11. 25° /s,由(7)式估算的反向電壓的 大小為17. 2V，實(shí)際中是在電機(jī)反轉(zhuǎn)前1ms加了大小為18V的反向電壓，轉(zhuǎn)為PID控制時(shí)將 積分器清零。從圖4可以看出，反轉(zhuǎn)時(shí)的最大角度誤差為15角秒，滿足精度要求，反轉(zhuǎn)的調(diào) 節(jié)時(shí)間約為60ms，轉(zhuǎn)速的超調(diào)很小，反轉(zhuǎn)過(guò)程非常平穩(wěn)。本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
權(quán)利要求
一種直流電機(jī)的高精度正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，其特征在于包括PID控制方式和主動(dòng)控制方式兩部分，其中PID控制方式由比較器(2)、PID控制器(3)、控制方式切換器(5)、電機(jī)(6)和光柵(7)組成，光柵(7)輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)角輸出(8)經(jīng)反饋后在比較器(2)中和指令轉(zhuǎn)角輸入(1)相減得到角度誤差輸入給PID控制器(3)，根據(jù)PID控制算法由角度誤差計(jì)算并輸出控制電壓，該控制電壓經(jīng)過(guò)控制方式切換器(5)輸入給電機(jī)(6)，電機(jī)(6)的實(shí)際轉(zhuǎn)角由光柵(7)輸出；主動(dòng)控制方式由反電壓輸入(4)、控制方式切換器(5)、電機(jī)(6)和光柵(7)組成，反向電壓輸入(4)經(jīng)過(guò)控制方式切換器(5)到達(dá)電機(jī)(6)，再由光柵(7)輸出實(shí)際轉(zhuǎn)角；電機(jī)勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)控制方式切換器(5)切換到PID控制方式，保證了平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)的精度，在電機(jī)反轉(zhuǎn)前控制方式切換器(5)切換到主動(dòng)控制方式，根據(jù)公式(1)對(duì)電機(jī)施加時(shí)間長(zhǎng)度為1～10ms的反向電壓UT，并在仿真或者實(shí)際中調(diào)試UT，電機(jī)(6)反轉(zhuǎn)后再切換為PID控制方式，并由近似計(jì)算公式(2)設(shè)置PID控制器中的積分器初值，電機(jī)又開(kāi)始勻速旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，其特征在于所述比較器(2)、PID控 制器(3)和控制方式切換器(5)均由計(jì)算機(jī)或者微處理器實(shí)現(xiàn)。
3.一種直流電機(jī)的高精度正反轉(zhuǎn)控制方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)電機(jī)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)時(shí)采用PID控制方式，調(diào)整好PID控制器參數(shù)，使其滿足平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)時(shí) 的精度要求并具有一定的抗干擾性；(2)電機(jī)反轉(zhuǎn)前轉(zhuǎn)換為主動(dòng)控制方式，對(duì)電機(jī)施加時(shí)間長(zhǎng)度為1 10ms的反向電壓UT， 并在仿真或者實(shí)際中調(diào)試UT，使電機(jī)高精度、平穩(wěn)反轉(zhuǎn)，反向電壓UT的計(jì)算公式為(3)電機(jī)反轉(zhuǎn)后再轉(zhuǎn)換為PID控制，并根據(jù)摩擦情況和電機(jī)參數(shù)給PID控制器中的積分 器賦初值，初值的計(jì)算公式為^L.R + {±.R + Ce).coc(2)^mm其中R為電樞電阻；J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；《。為電機(jī)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速的大小；Cm為 力矩系數(shù)；AT為主動(dòng)控制的時(shí)間長(zhǎng)度；Mf為靜摩擦力矩；B為粘滯摩擦系數(shù)；(；為反電勢(shì)系 數(shù)；若摩擦力矩和反電勢(shì)系數(shù)很小，以致使(2)式對(duì)應(yīng)的等效力矩小于0. 03N*m，也可直接 將積分器清零。
全文摘要
一種直流電機(jī)的高精度正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由PID控制和主動(dòng)控制兩部分組成，PID控制包括比較器、PID控制器、控制方式切換器、電機(jī)和光柵，主動(dòng)控制包括控制方式切換器、電機(jī)和光柵。本發(fā)明采用的電機(jī)控制方法為在電機(jī)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)時(shí)采用PID控制，在反轉(zhuǎn)前轉(zhuǎn)換為主動(dòng)控制，使其以較高精度平穩(wěn)反轉(zhuǎn)，主動(dòng)控制時(shí)間持續(xù)幾個(gè)毫秒，反轉(zhuǎn)后再轉(zhuǎn)換為PID控制。本發(fā)明能夠有效提高電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的角位置精度，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)反轉(zhuǎn)，并且方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H02P1/22GK101951209SQ20101023143
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月14日
發(fā)明者劉芳, 張仲毅, 王瑋 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)